1.Литературный обзор.

1.1.Обзор и классификация методов измерения влажности.

Методы измерения влажности принято делить на прямые и косвенные. В прямых методах производиться непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется величина, Функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой (вторичной) величиной.

Прямые методы.

Наиболее распространенным прямым методом является метод высушивания, заключающийся в воздушно тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается равноценным полному удалению влаги. На практике применяется высушивание до постоянного веса; чаще применяют так называемые ускоренные методы сушки. В первом случае сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания исследуемого образца дают одинаковые или весьма близкие результаты. Так как скорость сушки постепенно уменьшается, предполагается, что при этом удаляется почти вся влага, содержащаяся в образце. Длительность определения этим методом составляет обычно от нескольких часов до суток и более.

В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значительно более короткого промежутка времени, при повышенной температуре. В последние годы для ускоренной сушки стали применять инфракрасные лучи, а в отдельных случаях – диэлектрический нагрев.

Определению влажности твердых материалов высушиванием присущи следующие методические погрешности:

1. При высушивании органических материалов наряду с потерей гигроскопической влаги происходит потеря летучих;

2. Прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги, а равновесие между давлением водяных паров в материале и давлением водяных паров в воздухе.

3. Удаление связанной влаги в коллоидных материалах невозможно без разрушения коллоидной частицы и не достигается при высушивании.

4. В некоторых веществах в результате сушки образуется водонепроницаемая корка, препятствующая удалению влаги.

Некоторые из указанных погрешностей можно уменьшить сушкой в вакууме при пониженной температуре или в потоке инертного газа. Однако для вакуумной сушки требуется более громоздкая и сложная аппаратура, чем для воздушно – тепловой.

При наиболее распространенной сушке (в сушильных шкафах) имеются погрешности, зависящие от применяемой аппаратуры и техники высушивания. Так, например, результаты определения влажности зависят от длительности сушки, от температуры и атмосферного давления, при которых протекала сушка. Температура имеет особенно большое значение при использовании ускоренных методов, когда понижение температуры сильно влияет на количество удаленной влаги. На результаты высушивания влияют также размеры и форма бюкс и сушильного шкафа, распределение температуры в сушильном шкафу, скорость движения воздуха в нем, возможность уноса пыли или мелких частиц образца и т.д. Для материалов, подвергающихся перед определением влажности измельчению, большое значение имеет убыль влаги в образце в процессе измельчения. Эта убыль особенно велика, если при размоле имеет место нагрев образца. С другой стороны возможно поглощение влаги из окружающей среды в промежутках времени между окончанием сушки и взвешиванием образца.

В итого высушивание представляет собой чисто эмпирический метод, которым определяется не истинная величина влажности, а некоторая условная величина, более или менее близкая к ней. Определения влажности, выполненные в близких условиях, дают плохо сопоставимые результаты. Более точные результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при пониженном давлении.

В дистилляционных методах исследуемый образец подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой (бензол, толуол, ксилол, минеральное масло и т.д.), до температуры кипения этой жидкости. Пары, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем или вес воды. Дистилляционные методы в различных модификациях и с использованием разных конструкций аппаратуры были разработаны для различных материалов, в том числе и для жидких (например, стандартный метод Дина и Старка для нефти и нефтепродуктов). Однако дистилляционным методам также свойственны многие недостатки. Капли воды, остающиеся на стенках холодильника и трубок, вызывают погрешности в определениях. Применяемые растворители, как правило, огнеопасны, а аппаратура хрупка и громоздка.

Методы высушивания и дистилляционные приняты, несмотря на указанные недостатки, в качестве стандартных методов определения влажности большинства материалов.

Экстракционные методы основаны на извлечении влаги из исследуемого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания: удельного веса, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т.п. В электрических экстракционных методах измеряются электрические свойства (удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость) экстракта. Экстракционные методы дают наилучшие результаты в применении к материалам, мелко измельченным или обладающим пористой структурой, обеспечивающей проникновение экстрагирующей жидкости в капилляры.

Основой химических методов является обработка образца реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Наиболее распространенными химическими методами являются карбидный (газометрический) метод и применение реактива Фишера.

В первом методе измельченный образец влажного материала тщательно смешивают с карбидом кальция в избыточном количестве. В результате образуется ацетилен и гашеная известь.

Количество выделенного газа определяют измерением его объема (волюмометрический способ) или путем взвешивания (гравиметрический способ). Одна из новейших разновидностей газометрического метода основана на применении карбида, содержащего радиоактивный изотоп. Газ, образующийся при реакции с влагой твердого или жидкого вещества, содержит ацетилен, меченный атомами радиоактивными изотопами. Газ исследуется прибором, измеряющим интенсивность бета излучений, который можно градуировать в единицах влажности определенного влагосодержащего материала. Независимо от применяемого способа определения количества газа газометрические приборы обычно градуируют эмпирически, так как практически не вся вода участвует в реакции и количество выделенного ацетилена не соответствует уравнению реакции.

Реактив Фишера, представляющий собой раствор Возогнанного металлического иода, безводного пиридина и сухого сернистого ангидрида в абсолютном метаноле, нашел применение для определения влажности многочисленных материалов в лабораторных условиях. Иод и сернистый ангидрид реагирует с водой с образованием иодистоводородной и сернистой кислот, для нейтрализации которой используеися пиридин. Метод отличается универсальностью, высокой точностью и позволяет обнаруживать незначительные количества влаги.

Титрованием с реактивом Фишера определяют влагосодержании твердых, жидких и газообразных веществ; обычно конец титрования фиксируется визуально или электрометрическим способом. В последнее время были разработаны автоматические титраторы, которые без участия химика‑аналитика выполняют все операции титрования и сигнализируют об окончании реакции. Однако и у автоматических титраторов продолжительность одного определения достигает 30 мин, что делает их непригодными для автоматического регулирования большинства производственных процессов.

Менее распространен химический метод определения влажности по повышению температуры вследствие химической реакции реагента с влагой вещества; чаще всего в качестве реагента используется серная кислота. Повышение температуры смеси карбида кальция с материалом можно также использовать также в карбидном методе, так как реакция воды с карбидом кальция протекает с выделением тепла.

Иногда необходимо раздельное определение «поверхностной» и «внутренней» влажности материалов. Кроме способов, основанных на удалении поверхностной влаги силикагелем , фильтрованной бумагой и т.п., можно применить предложенный И.К. Петровым метод, по которому взвешенную навеску материала опускают в воду, измеряют ареометром, отградуированным в граммах силу, действующую на навеску. И по разности весов навески определяют вес поверхностной влаги.